再生水中弗氏柠檬酸杆菌对铜合金的腐蚀机理研究

论文摘要

摘要：使用从再生水环境中分离出的一株弗氏柠檬酸杆菌（Citrobacter freundii）,以HSn70-、HSn70-lAB和BFe30-1-1三种铜合金为研究对象,采用表面分析与生物化学分析手段,研究了铜合金生物膜结构特性及胞外聚合物（EPS）的多糖和蛋白质组分,分析了EPS对铜合金-生物膜界面腐蚀电化学反应的影响；应用接触角测量法,计算铜合金表面自由能及界面自由能等热力学参数,从热力学角度探讨了细菌在铜合金表面吸附机理；对铜合金表面微生物膜的粗糙度进行表征,并对铜合金表面腐蚀形貌进行了定性和定量分析。研究表明从华北某电厂循环冷却水中分离出的弗氏柠檬酸杆菌为杆状,细胞大小约为1.79μm×0.70μm×0.42μm,具有硫酸盐还原功能。细菌在循环水和Postgate C培养基中的世代期分别为3.01 h、4.39 h,反映出再生水环境更有利于弗氏柠檬酸杆菌的生长繁殖。生物膜SEM和AFM表征表明,弗氏柠檬酸杆菌在HSn70-1A和HSn70-1AB合金表面形成微生物膜结构的均匀度好于BFe30-1-1。随着浸泡时间增加,铜合金表面生物膜中EPS的多糖与蛋白质含量之比上升较为明显,整体上看,同时期三种合金表面EPS中多糖与蛋白质含量之比大小为HSn70-lAB> HSn70-1A> BFe30-1-1,说明EPS的疏水性能大小为BFe30-1-1>HSn70-1A>HSn70-1AB。生物膜中EPS与溶解性的金属离子络合,加速了铜合金/生物膜界面腐蚀电化学的阴极和阳极反应过程。表面自由能γTot及界面自由能ΔGSWSTot计算结果表明,同一时刻,附着有微生物膜的铜合金表面的疏水性大小为BFe30-1-1>HSn70-lA>HSn70-lAB, BFe30-1-1基本上仍为负值,表现出较弱的疏水性,而HSn70-1A和HSn70-1AB表现出较强的亲水性。在水溶液中,吸附界面自由能ΔGadhTot值反映出细菌在铜合金表面初始吸附容易程度为HSn70-1AB>HSn70-lA>BFe30-1-1。而细菌在附着有生物膜的铜合金表面吸附的ΔGadhTot值显著上升,同时期的ΔGadhTot值大小为HSn70-1AB>HSn70-lA>BFe30-1-1。根据DLVO理论分析,说明细菌BFe30-1-1表面发生吸附需要克服的阻力相对较小,吸附反应较其他两者更易发生,这很可能是由于BFe30-1-1表面溶出的Ni2+,增加了生物膜表面对细菌的粘附力。对浸泡21d后去掉腐蚀产物层后铜合金表面形貌进行SEM表征,表明三者都发生了较为严重的腐蚀,其中HSn70-1A以局部腐蚀为主,HSn70-1AB以点蚀为主,而BFe30-1-1表面腐蚀程度最严重,表现为全面非均匀腐蚀,说明再生水环境中弗氏柠檬酸杆菌对铜合金的微生物腐蚀问题不容忽视。图30幅,表18个,参考文献131篇。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硫酸盐还原菌腐蚀机理
• 1.3 微生物膜对金属材料的腐蚀研究现状
• 1.3.1 环境因素的影响
• 1.3.2 金属表面性质的影响
• 1.3.3 微生物膜结构特性的影响
• 1.3.4 细菌代谢产物及腐蚀产物的影响
• 1.4 微生物腐蚀的研究方法
• 1.5 本论文的主要研究内容和意义
• 2 弗氏柠檬酸杆菌生长代谢规律研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 培养基
• 2.2.2 菌种的分离纯化
• 2.2.3 试验材料
• 2.2.4 菌种的鉴定及形态观察
• 2.2.5 再生水环境中弗氏柠檬酸杆菌生长曲线
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 弗氏柠檬酸杆菌特征研究
• 2.3.2 弗氏柠檬酸杆菌生长规律研究
• 2.3.3 培养基和循环水中pH的变化曲线
• 2.3.4 循环水中硫酸盐还原率的测定
• 2.4 本章小结
• 3 弗氏柠檬酸杆菌生物膜的形成及其组分分析
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 铜合金表面生物膜结构表征
• 3.2.2 铜合金表面生物膜EPS提取及组分分析
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 铜合金表面生物膜结构表征及分析
• 3.3.2 铜合金表面生物膜能谱分析
• 3.3.3 生物膜中EPS组分分析
• 3.3.4 EPS疏水性能对微生物膜特性的影响分析
• 3.4 本章小结
• 4 铜合金表面热力学参数与细菌吸附的关系
• 4.1 前言
• 4.2 热力学参数计算的基本原理
• 4.2.1 固体表面自由能的计算
• 4.2.2 吸附界面自由能参数计算
• 4.2.3 表面疏水性计算及判断
• 4.3 实验方法
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 HSn70-1A的表面热力学参数计算
• 4.4.2 HSn70-1AB的表面热力学参数计算
• 4.4.3 BFe30-1-1的表面热力学参数计算
• 4.4.4 细菌在铜合金表面吸附的界面相互作用自由能计算
• 4.4.5 细菌在三种铜合金表面吸附规律分析
• 4.5 本章小结
• 5 生物膜的AFM观察及腐蚀形貌表征
• 5.1 前言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 微生物膜形貌及腐蚀形貌量化分析
• 5.2.2 腐蚀形貌观察及元素分析
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 生物膜AFM表征与分析
• 5.3.2 HSn70-1A的腐蚀形貌及表面元素分析
• 5.3.3 HSn70-1AB的腐蚀形貌及表面元素分析
• 5.3.4 BFe30-1-1的腐蚀形貌及表面元素分析
• 5.3.5 弗氏柠檬酸杆菌生物膜对铜合金的作用机理分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 索引
• 作者简历
• 学位论文数据集